本刊編譯整理

　　6月，來自美國普林斯頓大學(xué)的工程師們正在部署激光來精確評估3D 打印水泥的一個主要缺點(diǎn)，即材料的抗斷裂性。研究人員希望這一領(lǐng)域的進(jìn)展能夠使增材制造在水泥基結(jié)構(gòu)中得到更廣泛的應(yīng)用。該研究項目的長期目標(biāo)是使用增材制造技術(shù)開發(fā)更好的材料，從而實現(xiàn)創(chuàng)新的設(shè)計和功能。

　　水泥是混凝土的主要成分，混凝土構(gòu)成了現(xiàn)代建筑的大部分，包括建筑、道路、跑道、橋梁和大壩。近年來，隨著3D 打印在效率和多功能性方面表現(xiàn)出的優(yōu)勢，人們將該技術(shù)應(yīng)用于建筑表現(xiàn)出越來越多的興趣。

　　但與傳統(tǒng)澆筑的混凝土相比，3D 打印的替代品可能會出現(xiàn)裂縫，尤其是在不同混凝土層之間的區(qū)域。研究人員將此歸因于3D 打印中使用的分層過程所引入的非均勻微結(jié)構(gòu)。普林斯頓大學(xué)的研究人員使用了一種新的測試方法，從微觀層面更好地理解這種裂縫。他們的發(fā)現(xiàn)表明，通過適當(dāng)?shù)乇碚鲾嗔研阅埽?D 打印混凝土可能與澆注混凝土一樣堅固，甚至更堅固。

　　在《水泥與混凝土復(fù)合材料》雜志上的一項研究中，普林斯頓大學(xué)的研究人員展示了一種新的測試方法，該方法使用激光在3D 打印的水泥中切割精確定位的凹槽。通過控制激光功率和速度，研究人員可以控制凹槽的深度和形狀等關(guān)鍵特征。這種控制允許比傳統(tǒng)方法實現(xiàn)更精確的測試。

　　普林斯頓大學(xué)土木與環(huán)境工程系助理教授、該研究的高級作者Reza Moini 說：“我們現(xiàn)在可以更全面地了解3D打印水泥基材料在各種失效模式下的斷裂特性，這對最終推廣這項技術(shù)很重要。通過利用材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計和增材制造技術(shù)帶來的制造自由，有了制造更堅固、更堅韌材料的新機(jī)會。”

　　該研究的其他論文作者，都是Moini 實驗室的成員，分別是Shashank Gupta和Arjun Prihar，他們都是博士生，以及前副研究學(xué)者Hadi Esmaeeli。澆注混凝土是通過澆筑成型并硬化的，而3D 打印混凝土與澆注混凝土不同，它需要一個噴嘴，一次擠出一股水泥漿。噴嘴來回移動，一股一股地構(gòu)建混凝土，最終逐層構(gòu)建。

　　3D 打印混凝土存在的一個挑戰(zhàn)是，在擠出過程中往往會在每個打印區(qū)域周圍形成一層薄的富含水的薄膜，以促進(jìn)流動。這些富含水分的薄膜可能會導(dǎo)致3D 打印材料線束間的顯著內(nèi)部缺陷和不均勻性，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)薄弱。研究人員更詳細(xì)地檢查了這些界面，以了解它們與斷裂特性的關(guān)系。研究團(tuán)隊最初使用擠出水泥漿的定制3D打印機(jī)制作并固化樣品進(jìn)行測試。傳統(tǒng)的測試通常包括在材料上切割切口，通常使用圓鋸。然而在微觀結(jié)構(gòu)研究中，這些鋸子的表現(xiàn)卻非常鈍，無法實現(xiàn)非常尖銳的缺口，從而使測試變得困難和不精確。

　　Moini 和同事們沒有使用鋸子等物理工具來切割缺口，而是選擇使用激光。他們的方法將測試缺口直接切到需要的地方，例如在打印層之間的界面處。Moini說：“這種針對脆性3D 打印材料測試的優(yōu)勢在于，使用相同的樣品幾何形狀，可以捕捉到在張力、剪切或兩者的任何組合下的抗裂性。”論文第一作者Shashank Gupta 強(qiáng)調(diào)，“這種方法有助于了解材料特性，因為研究人員正在與工業(yè)界合作，擴(kuò)大結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)應(yīng)用的混凝土增材制造工藝。”

　　目前，實驗室的研究人員還在進(jìn)一步研究建筑材料和斷裂特征。在今年4月舉行的美國混凝土學(xué)會春季大會上，論文合著者Arjun Prihar 分別獲獎。Prihar 的研究重點(diǎn)是通過實驗和模擬來理解混凝土材料正弦結(jié)構(gòu)設(shè)計的斷裂力學(xué)。Delnoce 的研究重點(diǎn)是通過在刀具路徑中開發(fā)缺口，為3D打印材料采用一種新的斷裂測試方法。Moini說：“我們的工作有助于解決有關(guān)3D 打印混凝土斷裂行為的基本問題。”

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